Сверхинтенсивные лазеры могут разгонять электроны до околосветовых скоростей в течение одного колебания (или "волнового цикла") электрического поля, что делает их мощным инструментом для изучения экстремальной физики. Однако их быстрые колебания и сложная структура затрудняют измерение их свойств в режиме реального времени. До сих пор существующие методы обычно требовали сотен лазерных снимков для получения полной картины, что ограничивало нашу способность улавливать динамическую природу этих экстремальных световых импульсов.

Новое исследование, совместно проведенное исследователями физического факультета Оксфордского университета и Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана, Германия, описывает новую методику однократной диагностики, получившую название RAVEN (получение векторных электромагнитных ближних полей в режиме реального времени). Этот метод позволяет ученым с высокой точностью измерять полную форму, время и ориентацию отдельных сверхинтенсивных лазерных импульсов.

Получение полной картины поведения лазерного импульса могло бы революционизировать повышение производительности во многих областях. Например, это могло бы позволить ученым точно настраивать лазерные системы в режиме реального времени (даже для лазеров, которые срабатывают лишь изредка) и преодолеть разрыв между экспериментальной реальностью и теоретическими моделями, предоставляя более качественные данные для компьютерных моделей и симуляций на базе искусственного интеллекта.

Метод работает путем разделения лазерного луча на две части. Один из них используется для измерения изменения цвета (длины волны) лазера с течением времени, в то время как другая часть проходит через двулучепреломляющий материал (который разделяет свет с различными состояниями поляризации). Затем матрица микролинз (сетка из крошечных линз) записывает структуру волнового фронта лазерного импульса (форму и направление). Информация записывается специализированным оптическим датчиком, который фиксирует ее в виде единого изображения, по которому компьютерная программа восстанавливает полную структуру лазерного импульса.

Ведущий исследователь Санни Ховард (доктор философии, научный сотрудник физического факультета Оксфордского университета и приглашенный ученый Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана) сказала: "Наш подход впервые позволяет полностью зафиксировать сверхинтенсивный лазерный импульс в режиме реального времени, включая его поляризационное состояние и комплекс внутренняя структура. Это не только дает беспрецедентное представление о взаимодействии лазера с веществом, но и прокладывает путь к оптимизации мощных лазерных систем способом, который ранее был невозможен".

Этот метод был успешно протестирован на лазере класса ATLAS-3000 петаватт в Германии, где он выявил небольшие искажения и сдвиги волн в лазерном импульсе, которые ранее было невозможно измерить в режиме реального времени, что позволило исследовательской группе точно настроить прибор. Эти искажения, известные как пространственно-временные связи, могут существенно повлиять на производительность экспериментов с использованием высокоинтенсивного лазера.

Обеспечивая обратную связь в режиме реального времени, RAVEN позволяет вносить немедленные коррективы, повышая точность и эффективность экспериментов в области физики плазмы, ускорения частиц и науки о высокой плотности энергии. Это также приводит к значительной экономии времени, поскольку для полной характеристики свойств лазерного импульса не требуется многократных снимков.

Этот метод также открывает потенциальный новый путь для создания инерционных термоядерных энергетических устройств в лабораторных условиях - ключевой шаг на пути к производству термоядерной энергии в масштабах, достаточных для обеспечения энергией общества. Инерционные термоядерные энергетические устройства используют сверхинтенсивные лазерные импульсы для генерации высокоэнергетических частиц в плазме, которые затем распространяются в термоядерном топливе. Эта концепция "вспомогательного нагрева" требует точного знания интенсивности сфокусированного лазерного импульса для оптимизации выхода расплава, что теперь обеспечивается компанией RAVEN. Сфокусированные лазеры также могли бы стать мощным зондом для новой физики - например, генерировать рассеяние фотон-фотон в вакууме, направляя два импульса друг на друга.

Соавтор профессор Питер Норрис (физический факультет Оксфордского университета) говорит: "Там, где для большинства существующих методов потребовались бы сотни снимков, RAVEN достигает полной пространственно-временной характеристики лазерного импульса всего за один. Это не только обеспечивает новый мощный инструмент для лазерной диагностики, но и потенциально может ускорить прогресс в широком спектре применений сверхинтенсивных лазеров, обещая раздвинуть границы лазерной науки и техники".

Соавтор доктор Андреас Допп (физический факультет Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана и приглашенный научный сотрудник по атомной и лазерной физике Оксфордского университета) добавляет: "Вскоре после того, как Санни присоединилась к нам в Мюнхене на год, это, наконец, "щелкнуло", и мы осознали прекрасный результат, лежащий в основе RAVEN: это потому, что ultra- интенсивные импульсы при фокусировке ограничены таким крошечным пространством и временем, что существуют фундаментальные ограничения на то, какое разрешение на самом деле необходимо для выполнения этого типа диагностики. Это изменило правила игры и означало, что мы могли использовать микрообъективы, что значительно упростило нашу настройку".

Заглядывая в будущее, исследователи надеются распространить использование RAVEN на более широкий спектр лазерных установок и изучить его потенциал в оптимизации исследований энергии инерционного термоядерного синтеза, лазерных ускорителей частиц и экспериментов по квантовой электродинамике высокого поля.

Это исследование было проведено в сотрудничестве с Мюнхенским университетом Людвига-Максимилиана, Институтом квантовой оптики Макса Планка и Институтом ускорительной науки Джона Адамса. Работа была поддержана UKRI-STFC и финансирующими органами в Германии и Европейском союзе.